电涌保护器级间导线长度及电感对能量配合的影响

（新乡职业技术学院，河南新乡453006）

0 引言

随着现代经济与科技的不断进步，微电子、通讯等技术也在迅猛发展，在现代化的城市建设中，电子电气系统与人们的生活以及工作都息息相关，由于雷电所产生的雷电感应以及电磁脉冲，将对多数电子电气设备产生信号干扰，甚至不同程度的破坏。据统计，由雷击引起的设备损坏的事故中，大约七成以上是由于雷电电磁脉冲入侵供电线路，雷电产生的过电压对电子敏感设备不仅会引起电子系统错误操作，甚至能永久性的损坏电子设备[1-3]。

现阶段国内外有大量的学者对压敏电阻间的能量配合进行研究，王蕙莹等[4]利用电磁波传输线理论的知识，并通过大量的实验证明了电磁波传输线理论的正确行和科学性。柴健等[5]用电源类的电涌保护器级间能量配合的方法，并多次试验，最后得出级间能量配合的效果，对试验中的级间退耦元件进行不同导线长度、不同电感值对能量配合影响的分析。卢燕[6]通过大量试验对GDT、MOV、TVS的三级配合进行初步研究，并对比分析，得出了一些比较重要的结论。李清泉等[7]运用波在传输线传输过程的理论对金属氧化物压敏电阻与TVS的配合进行了示例性的探讨，并提出了两级配合的电磁波传输过程理论的计算方法。吴劲夫等[8]利用理论分析了开关型电涌保护器与限压型电涌保护器的两级能量配合方式的可实施性。李博等[9]对气体放电管与瞬态抑制二极管是否能进行两级能量配合进行了验证。还有其他学者[10-16]对能量配合进行了研究。

以上研究者对电涌保护器级间能量配合的理论进行了分析研究并得出了相关结论，本文利用模拟雷电冲击平台对两级电涌保护器并联在不同的冲击电压下进行冲击试验，分析出级间能量配合时通流及能量之间变化及关系。

1 能量配合模式介绍

本次试验采用开关型与限压型电涌保护器级间并联的能量配合电路模型，两级电涌保护器并联可防止第二级电涌保护器在通过大电流之后性能的劣化。当雷电流入侵时，第二级保护器压敏电阻首先开始工作，此时第一级保护器气体放电管还未放电导通，所以第二级保护器压敏电阻对首先入侵的大电流进行泄放，并对过电压进行钳位。当第一级保护器气体放电管放电导通之后，与第二级保护器氧化锌压敏电阻进行并联以达到分流作用，用以减小首先导通的压敏电阻通流压力，有利于避免第二级保护器氧化锌压敏电阻性能的劣化。

开关型与限压型电涌保护器的级间能量配合模型如图1所示。由传输线理论可知：雷电流在线缆中进行传输时，在线上电阻中会产生沿线的电压降，并且在线缆的周围产生磁场，存在一定的电感，在导线中电流不稳定时也会产生电感以及电压降。因此，导线之间存在着连续变化的电压。导线的不同地方，电流也是不同的，这种电磁现象就是传输线分布参数的分布特性。在实际操作的过程中，传输线沿线方向不可能绝对均匀，但可以借助均匀传输线理论分析处理实际的传输线传输问题：局部的位置不连续影响试验结果的可以等效为传输线在此位置并联或者串联的阻抗；局部均匀的传输线缆可以替代较大范围内不均匀的传输线。

图1 级间能量配合模型Fig.1 Interstage energy coordination model

由电路理论可得出：由于气体放电管的伏安特性是不连续的，而氧化锌压敏电阻的伏安特性是连续的。因此，当入侵的浪涌电压增大，第二级保护器压敏电阻首先导通，承担全部入侵雷电流，当入侵的浪涌电压不断增大，流过压敏电阻的电流不断增加，使保护器两端的电压也不断上升。

根据入侵雷电流在串联电感线路中的传输理论可得出：当入侵雷电流沿传输线传播时，流过线路中串联的电感，线路中串联电感初始前后的阻抗是不一致的，雷电流会在线路中发生多次的折射、反射。其中，反射波会被气体放电管所吸收，折射波将继续向前传播，当气体放电管两端的电压增大并超过其启动电压时，气体放电管将会被点火导通。

当气体放电管在点火导通进行动作，起到大部分能量泄放的作用，而第二级保护器的氧化锌压敏电阻对第一级保护器气体放电管的高残压起到再次抑制的作用，使整个线路的输出端为低残压。当浪涌电流能量未超过第二级压敏电阻的耐受能力之前触发导通了第一级气体放电管时，所串联的电感会对入侵的雷电流产生大感抗，并减小了行波的陡度。如果拉长入侵雷电波的波头时间，串联电感便可以实现第一级与第二级电涌保护器能量配合的过程。

2 试验方案

本试验采用ICGS冲击平台模拟8/20 μs的雷电流，对开关型与限压型电涌保护器级间并联保护系统做冲击试验，对该保护系统依次施加5～20 kV的冲击电压。整个保护系统中第一级开关型电涌保护器使用放电电压为1.98 kV的气体放电管；第二级限压型电涌保护器使用放电电压为645 V的压敏电阻。第一级与第二级电涌保护器之间首先使用3 m、5 m、7 m、的线缆作导线；其次与线缆自身分布电感等值空心电感线圈连接，具体电感值分别为2.82 μH、4.36 μH 、6.50 μH。试验装置图如图2所示。

图2 试验装置图Fig.2 Test device diagram

3 试验数据分析

两级电涌保护器之间首先用导线连接，之后再用等电感值的空心电感线圈连接，用此来比较分析在实际应用中，如果因为场地的限制，级间连接的导线长度不能达到安装的要求时，能否使用与线缆自身分布电感等值的集中参数电感元件来代替。

3.1 级间串联3 m导线及等电感值的集总参数电感连接

两个压敏电阻级间连接3 m导线时，总通流量的平均值为36.8 kA，第一级通流平均值为30.69 kA，第二级分流平均值6.16 kA，第一级与第二级平均分流比为83%：17%。两个压敏电阻级间连接2.82 μH空心电感时，总通流量的平均值为36.5 kA，第一级通流平均值为27.2 kA，第二级分流平均值9.5 kA，第一级与第二级平均分流比为78%：22%。由此可知，第一级氧化锌压敏电阻的作用是泄放大电流，第二级氧化锌压敏电阻只能泄放一小部分电流。从图3可看出，级间串联3 m导线与串联等值空心电感时，通流与冲击电压关系曲线趋势近似。各级氧化锌压敏电阻具有相似的通流比，具有相似的能量配合过程。随着冲击电压的增加，两级压敏电阻吸收的总吸收能量不断增加，第一级吸收了大部分的能量，趋势呈线性增加；第二级吸收小部分能量，冲击电压增加时，吸收能量基本不变，被限制在一定范围内。可知3 m长导线与2.82 μH的空心电感可等效。

图3 3 m导线及空心电感线圈通流、能量变化趋势Fig.3 3 m wire and air core inductance coil flow，energy trends

3.2 级间串联5 m导线及等电感值的集总参数电感连接

两个压敏电阻级间连接5 m导线时，总通流量的平均值为41.4 kA，第一级通流平均值为35.2 kA，第二级分流平均值6.2 kA，第一级与第二级平均分流比为85%：15%。两个压敏电阻级间连接4.36 μH空心电感时，总通流量的平均值为45.8 kA，第一级通流平均值为33.5 kA，第二级分流平均值12.3 kA，第一级与第二级平均分流比为73%：26%。从图4可以看出，级间串联5 m导线与串联等值空心电感时，通流与冲击电压关系曲线趋势近似。各级压敏电阻具有相似的通流比，两者具有相似的能量配合过程。随着冲击电压的增加，两级压敏电阻吸收的总吸收能量不断增加，第一级吸收了大部分的能量，趋势呈线性增加；第二级吸收小部分能量，冲击电压增加时，吸收能量基本不变，被限制在一定范围内。可知5 m长导线与4.36 μH的空心电感具有等效性。

3.3 级间串联7 m导线及等电感值的集总参数电感连接

两个压敏电阻级间连接7m导线时，总通流量的平均值为40.1 kA，第一级通流平均值为35.6 kA，第二级分流平均值4.5 kA，第一级与第二级平均分流比为89%：11%。两个压敏电阻级间连接6.5 μH空心电感时，总通流量的平均值为43.6 kA，第一级通流平均值为33.5 kA，第二级分流平均值10.1 kA，第一级与第二级平均分流比为76%：24%。从图5可以看出，级间串联7 m导线与串联等值空心电感时，通流与冲击电压关系曲线趋势近似。各级压敏电阻具有相似的通流，残压，以及分流比，两者具有相似的能量配合过程。

图4 5 m导线及空心电感线圈通流、能量变化趋势Fig.4 5 m wire and hollow inductance coil flow，energy trends

图5 7 m导线及绕磁环导线通流、能量变化趋势Fig.5 7 m wire and hollow inductance coil flow，energy trends

4 结论

通过传输线理论、电路理论并结合试验，详细地分析研究了雷电波在串联电感中的传播时，气体放电管与氧化锌压敏电阻的能量配合关系。利用雷电模拟冲击试验，得到用三种不同长度线缆以及与其等电感值的集中参数电感连接时的总通流值、能量值，有以下结论：

1）施加等值冲击电压时，如果保护器级间串联线缆的长度不同，对两级的总通流量影响不大，但导线长度越长，第一级保护器两端残压越小，后级保护器对线路中电流的分流比越小。由此可以得出，实际的应用操作过程中，一般在条件允许的情况下，可以适当的增大电涌保护器级间连接导线的长度。

2）将两个保护器级间连接导线换成与其分布电感等值的空心线圈，分析试验数据可得，换成空心线圈后，总通流量与第二级保护器两端残压值略微变小，二者可视为等效。但在一般的应用操作中，电涌保护器进行级联时，若受到场地的限制，级间连接线缆的长度不能达到安装需求，便可利用等效电感来减慢雷电瞬态过电压的增长速度等效替换级间连接的导线长度。

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